國產(chǎn)氫燃料電堆達(dá)到國際先進(jìn)水平

 　　財政部等五部門近日發(fā)布《關(guān)于開展燃料電池汽車示范應(yīng)用的通知》，通過“以獎代補(bǔ)”方式，對入圍示范的城市群按照目標(biāo)完成情況給予獎勵。我國燃料電池汽車及氫能產(chǎn)業(yè)迎來了加速發(fā)展的風(fēng)口期。

　　獎勵政策出臺后沒幾天，上海氫晨新能源科技有限公司就發(fā)布了車規(guī)級H2150F質(zhì)子交換膜燃料電池電堆。這款電堆的峰值功率達(dá)到150千瓦，功率密度為3.5千瓦/升，通過全部車用設(shè)計驗證。“2014年，豐田推出Mirai時，國產(chǎn)車規(guī)級燃料電池和日本的差距很大。”上海氫晨總經(jīng)理、上海交通大學(xué)副教授易培云說，“而現(xiàn)在，我們自主研發(fā)的電堆已達(dá)到國際先進(jìn)水平。”

　　為何能實現(xiàn)和國際“并跑”?記者采訪了解到，上海交大團(tuán)隊的基礎(chǔ)研究取得“從0到1”的原始創(chuàng)新突破，上海市智能制造研發(fā)與轉(zhuǎn)化功能型平臺推動“從1到10”的科技成果轉(zhuǎn)化，從而保證了氫晨、治臻、唐鋒三家“交大系”企業(yè)掌握燃料電池關(guān)鍵核心技術(shù)、進(jìn)入“從10到100”發(fā)展壯大階段。

　　拿出“中國方案”

　　燃料電池以氫氣和空氣中的氧氣為原料，通過化學(xué)反應(yīng)將氫氣中的能量轉(zhuǎn)換成電能，唯一產(chǎn)物是水，不會造成空氣污染。業(yè)界認(rèn)為，加注氫氣的燃料電池汽車是汽車未來發(fā)展的一種“終極形態(tài)”，不過與純電動汽車相比，這種新能源汽車的商業(yè)化進(jìn)程比較慢。當(dāng)前，燃料電池汽車發(fā)展的重點(diǎn)方向是中遠(yuǎn)途、中重型商用車，因為它們加注氫氣的時間比純電動汽車充電短得多，續(xù)航里程更長，適合卡車、客車等商用車，從而大幅減少交通污染。

　　15年前，盡管燃料電池的產(chǎn)業(yè)價值還不明朗，上海交大機(jī)械與動力工程學(xué)院薄板結(jié)構(gòu)制造研究所就開始了雙極板研發(fā)。這是燃料電池的一個核心部件，占電堆體積的80%，承載著氫氣場、氧氣場、冷卻液流場“三場”的傳輸和導(dǎo)電功能。近年來，日本、歐洲企業(yè)研制出了鈦合金雙極板，如果中國企業(yè)無法制造這種部件，就只能依賴進(jìn)口。好在交大孵化的上海治臻新能源裝備有限公司，已實現(xiàn)不銹鋼雙極板的大批量生產(chǎn)。“我們目前的產(chǎn)能是1000臺車/年，計劃明年把產(chǎn)能提高到5000臺車/年。”治臻總經(jīng)理藍(lán)樹槐博士說。

　　與采用“三板三場”結(jié)構(gòu)的進(jìn)口鈦合金雙極板不同，國產(chǎn)不銹鋼雙極板的結(jié)構(gòu)是“兩板三場”，這一結(jié)構(gòu)設(shè)計被譽(yù)為“中國方案”。上海交大機(jī)械與動力工程學(xué)院教授來新民表示，“兩板三場”是上海交大團(tuán)隊提出的原創(chuàng)構(gòu)想。陽極板、隔板、陰極板“三板”的用料比較多，不但增加了成本，還會影響燃料電池的功率密度，可否把中間的隔板去掉?經(jīng)過持續(xù)數(shù)年的基礎(chǔ)研究，他們提出了“間隔連通—錯位密封”新原理，使氫氣、氧氣等氣體進(jìn)入極板分配區(qū)后，能自行翻過流場，從而省去了隔板。這一成果獲得2019年度上海市技術(shù)發(fā)明獎特等獎。

　　多學(xué)科協(xié)同攻關(guān)

　　超薄雙極板的介觀制造新工藝、不銹鋼基底上的復(fù)合納米涂層，也是上海交大團(tuán)隊的原始創(chuàng)新成果。

　　一塊極板的厚度僅為75微米左右，比紙還薄，要在板上沖壓出密密麻麻的流道，讓氫氣、氧氣和冷卻液在那里傳輸，其技術(shù)難度可想而知。“為解決一沖壓就裂的難題，我們做了10年基礎(chǔ)研究和工程驗證。”藍(lán)樹槐說，經(jīng)過機(jī)械、流體力學(xué)、工程熱力學(xué)等多學(xué)科交叉攻關(guān)，上海交大團(tuán)隊通過微細(xì)成形過程仿真模型，梯度圓角設(shè)計、應(yīng)力積分回彈補(bǔ)償?shù)任⒓?xì)成形工藝設(shè)計，開發(fā)出不同于宏觀制造的介觀制造新工藝。檢測報告顯示，超薄金屬雙極板制造工藝的誤差控制在10微米以內(nèi)。

　　在“十年磨一劍”過程中，上海交大還組建了機(jī)械、材料、化學(xué)等多學(xué)科團(tuán)隊，摸索設(shè)計出一種包含鈦、鉻、氮、碳等多種元素的復(fù)合涂層。其層數(shù)多達(dá)二三十層，總厚度卻不到200納米，具有高耐蝕、高導(dǎo)電性能。覆蓋這種涂層的不銹鋼雙極板，通過了5000小時車載壽命測試。

　　除了雙極板，膜電極也是燃料電池的核心部件。陽極板和陰極板之間夾一片膜電極，就組成一節(jié)“三明治”結(jié)構(gòu)的燃料電池。膜電極的電化學(xué)反應(yīng)需要以貴金屬鉑為催化劑。為了降低鉑載量，上海交大燃料電池研究所所長章俊良教授帶領(lǐng)團(tuán)隊取得重要突破，研制出適合車用工況的合金催化劑，其鉑載量較傳統(tǒng)的鉑碳催化劑大幅減少。2017年上海唐鋒能源科技有限公司成立后，這些實驗室成果逐步轉(zhuǎn)化成了產(chǎn)品。唐鋒臨港生產(chǎn)基地廠長李培松介紹，公司的膜電極年產(chǎn)能已達(dá)到80萬片以上，批量應(yīng)用于商用車和乘用車，鉑載量達(dá)到國際先進(jìn)水平。

　　臨港提供應(yīng)用場景

　　掌握了雙極板、膜電極的關(guān)鍵核心技術(shù)，氫晨應(yīng)時而生。治臻和唐鋒都是這家企業(yè)的上游供應(yīng)商，氫晨將國產(chǎn)雙極板和膜電極組裝成燃料電池電堆，每臺電堆由400副雙極板和400片膜電極層疊裝配而成。

　　在上海市智能制造研發(fā)與轉(zhuǎn)化功能型平臺和臨港集團(tuán)的支持下，氫晨首條自動化生產(chǎn)線近日在上海自貿(mào)區(qū)臨港新片區(qū)建成投產(chǎn)。功能型平臺總經(jīng)理、上海交大教授習(xí)俊通介紹，這條生產(chǎn)線具備智能制造特征，基本實現(xiàn)了物流、控制流、數(shù)據(jù)流“三流合一”。例如在雙極板和膜電極的匹配方面，每個部件都有二維碼，掃描后即可知道它的編號和各項參數(shù)。根據(jù)這些參數(shù)，后臺通過數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)自動匹配，讓每副雙極板都能找到最適合它的膜電極“伴侶”，使電堆加工性能達(dá)到其設(shè)計性能。

　　“氫晨生產(chǎn)的H2系列電堆主要用于重卡、輕型卡車、公交車等商用車，也用于艦船和發(fā)電。”易培云告訴記者，“公司產(chǎn)能計劃今年底擴(kuò)大到1萬臺/年，2021年底達(dá)到5萬臺/年。”

　　三家企業(yè)都落戶在臨港，臨港新片區(qū)管委會和臨港集團(tuán)為燃料電池和氫能產(chǎn)業(yè)提供了諸多應(yīng)用場景。根據(jù)規(guī)劃方案，這個區(qū)域?qū)⒃谖磥韮赡陜?nèi)建設(shè)三座加氫站、一條燃料電池動力的中運(yùn)量公交線路、200輛氫能物流車和20輛氫能重卡示范運(yùn)行，以及一個綠色制氫項目、兩個燃料電池?zé)犭娐?lián)供示范項目。

　　作為長三角“氫走廊”的重要節(jié)點(diǎn)，臨港分別與江蘇的常熟、張家港、南通，浙江的嘉興、杭州、紹興、寧波等地組成了兩張交通網(wǎng)絡(luò)。商用車在臨港加注一次氫氣，就能駛往這些城市并返回臨港。隨著加氫站的日漸增多，將有越來越多的燃料電池汽車行駛在“氫走廊”上，推動長三角氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。( 來源： 解放日報記者 俞陶然)